压缩机气液旋流器的数值模拟

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[摘 要]旋流分离器是喷油式空气压缩机的重要且不可缺少的部件之一，本文建立了压缩机气液旋流器的模型，并用FLUENT软件对其进行数值模拟。其中离散相采用DPM模型，湍流模型采用 RNG k-ε 模型，气液两相流流场用DPM 模型对气液分离器的流场进行了数值模拟。并用工程试验的方法进行了验证。

[关键词]气液旋流器 数值模拟 空气压缩机

中图分类号：TE644 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）41-0355-01

空气压缩机[1]的在近年来其使用日益广泛，被广泛使用在冶金、医药、机械、电力电子等各个行业。使得它成为国民经济的中必不可少的关键设备之一。旋流分离器是喷油式空气压缩机的重要且不可缺少的部件之一。气液旋流分离器就被广泛用于压缩机油回收的分离工序，实现混合气体中油滴的回收并保证气体纯度。因此旋流器的设计是压缩机设计的关键之一。虽然实验可以反映分离器流场的真实情况，但是实验的方法成本高，周期长，数值计算技术不但可以全面深入地揭示流体的内部流场结构，多方位揭示流场内部的细节情况，而且投入资金少，见效快。现在已经有不少文章关于气液旋流分离器进的CFD （Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）模拟研究的文献[2-4]。本文目的在于通过对压缩机油气分离器内的气液两相流流场进行数值模拟，研究影响油气分离的主要流动机理，为油气分离器的改型设计提供理论依据。

1.气相流场计算

气相流场 的计算用雷诺平均NS方程加RNG k？ ε模型，为了求解方便，对于旋流分离器模型作一定的简化，气相流场简化如下：旋流分离器内流场没有温度变化；旋流分离器内气体为不可压缩流体，气体在入射口的状态为，速度均匀，且充分发展的湍流；旋流分离器内气体的流动是稳态流动。

边界条件如下：1）在旋流分离器入口的边界条件为速度入口；入口为70℃的压缩空气，入口处假设湍流已经充分发展，压缩机的气量7 m3/min换算到旋流器气口的速度为15m/s；水力直径取旋流分离器入口直径相同。2）出口处使用压力边界条件为压力出口，出口压力为7.6 atm，温度为70℃。其中水力直径与湍流强度值的计算方法同上。3）桶壁、挡板等固体壁面上采用的边界条件为无滑移边界，采用标准壁面函数处理。压力-速度耦合采用SIMPLE算法。

经计算可以气液分离器流场中的速度分布（切向速度、法向速度、径向速度），压力分布（静压、动压、全压分布），湍动能和耗散率等参数。图1为不同截面的动压分布云图。

2.油滴轨迹追踪

要成功的实现两相分离的模拟并保证模拟的精度，合理的选择两相流的模型是其中的关键。本文选择了DPM模型来作为两相分离的模型，因为在两相流中，液滴的体积浓度在10%以下，可以作为稀相来处理，满足DPM模型的适用条件。

其它边界条件如下：1）旋流分离器的进气口作为油滴入射面，此面同时被设置为逃逸（escape）边界条件，若油滴在碰撞或者旋流作用下回流到达此面，认为液滴脱离此面，计算随机终止。2）旋流分离器排气出口也设置为逃逸（escape）边界条件。3）旋流分离器筒体的内壁设置为捕捉（trap）边界，一旦油滴到分离器筒体的壁面后即认为被捕捉，轨迹计算即终止。4）连续相（气体）和离散相（液滴）之间的耦合计算每十步气相运算进行一次颗粒相的迭代，油滴的入口速度等于气相的入射速度。

经计算得到不同直径的颗粒的分离效率，其最大分离效率为92.3%。

3.工程试验方法

本文图3所示试验装置来检验数值计算结果。图中符号A和B为两个液体阀门，部件4为一个三通其与部件A、B连接。当不需要测试分离效率时，A成打开状态在，从过滤分离级分离出来的冷却剂在经过冷却后，从新被喷入主机中，依此循环。当需要测试相关旋流器的分离效率时，关闭A阀门，同时B阀门打开，设置参数保持操作气量、排气压力等参数不变，然后通过特定的装置将旋流器分离出来液体收集起来。在相同测试条件下，每个类型的分离器分别测试12小时，然后将收集到的液体称重，通过计算即可得到总体的分离效率。通过实验测得此分离器的分离效率为90.2%。与数值模拟相比小于5%，说明CFD计算结果比较可靠。

4.结论

本文针对喷油螺杆式空气压缩机内的旋流分离器进行了数值模拟，在对气相的模拟中采用了RNG k-ε模型，离散格式采用QUICK格式，网格划分根据模型特点划分为非结构网格，压力速度采用SIMPLE算法。两相流计算采用DPM模型模拟旋流分离器气液分离情况，颗粒直径选用Rosin-Rammler分布，采用随机漫步模型作为湍流干涉模型。计算了不同颗粒直径直径的分离效率并采用实验验证了计算模拟的结果。

参考文献

[1] 王廷俊.气体压缩机在石化工业的应用和发展[J].通用机械，2005，3：8-10，16.

[2] 陆耀军，周力行，沈熊.不同湍流模型在液-液旋流分离管流场计算中的应用及比较[J]. 清华大学学报（自然科学版），2001，41（2）：105-109.

[3] Bernardo S， Mori M，Peres A P et al. 3-D Computation-al Fluid Dynamics for Gas and Gas-Particle Flows in a Cyclone With Different Inlet Section Angles[J]. Powder Technology， 2006，162 （3）：190-200.

[4] 李玉星，冯叔初，张劲松，液一液旋流分离器数值模拟技术研究[C].第六届非均相分离学术交流会论文集一其他，P206-212.